Закалка металла: задачи, методы, особенности

О чем речь? Закалка металла – термическая обработка, меняющая кристаллическую решетку. После процедуры изменяются физические характеристики детали: твердость, хрупкость, пластичность и сопротивление механическим воздействиям.

На что обратить внимание? Закалке подвергаются сталь, чугун, титан, алюминий, медь и различные сплавы. После проведения процедуры необходимы дополнительные технологические операции.

Понятие закалки металла

Закалка металла – это термическая обработка, во время которой материал нагревают до высокой температуры для изменения его кристаллической структуры. Данный процесс часто сопровождается быстрым охлаждением посредством масла, твердых теплоносителей, воды, воздуха, жидких полимеров или водяного тумана.

Термообработку углеродистых металлов можно сравнить с магическим превращением, при котором сплав приобретает новые свойства. Основным этапом в этом процессе является нагрев до заданной температуры, вызывающий изменение кристаллической решетки материала. Далее следует быстрое охлаждение, закрепляющее новую структуру. Однако чрезмерная скорость остывания может привести к появлению трещин, а слишком медленное охолаживание вызовет потерю желаемой твердости.

Изменение кристаллической структуры в процессе закалки является отличительной чертой материалов с полиморфными свойствами. Полиморфизм обозначает способность веществ менять свою структуру в ответ на изменение внешних условий.

Закалка – важный этап в обработке металлов, который позволяет придать материалам и изделиям из них необходимые характеристики. Основные ее цели:

• Увеличение твердости материала. Это существенно влияет на качество и срок службы конечного изделия.
• Усиление поверхностного слоя металла. Способствует большей стойкости к внешним воздействиям.
• Настройка пластичности материала. Улучшает его способность противостоять деформациям, включая изгибы и другие нагрузки.

Термообработка сплавов, в том числе с использованием печи для закалки металла, дает возможность усовершенствовать их свойства. После этого они приобретают большую твердость, долговечность, износостойкость.

Повышение прочности также позволяет снизить вес изделий за счет уменьшения их толщины без потери ключевых эксплуатационных характеристик.

Металлы, подлежащие закалке

Отверждение подходит не для всех материалов. Стекло, металлы и их соединения могут подвергаться закалке, но результат непредсказуем. Какие-то вещества становятся более прочными, в то время как другие приобретают большую пластичность.

Термообработке могут быть подвержены:

• Различные виды стали, включая низколегированные, углеродистые и высоколегированные. Они отлично поддаются обработке путем нагрева с последующим быстрым охлаждением. В результате становятся более износостойкими и прочными. Однако для полноценного эффекта в стальном сплаве должно присутствовать как минимум 0,4 % C, который формирует мартенсит.
• Отдельные типы чугуна, особенно с увеличенной концентрацией карбида и те, что считаются специальными, используют для литья различных инструментов.
• Свойства титана и его многокомпонентных соединений также значительно улучшаются после закаливания, несмотря на изначальную прочность материала, при условии соблюдения технологии.

• Сплавы с содержанием алюминия в чистом виде обычно не подвергают закаливанию из-за их природной пластичности и мягкости, за которые они и ценятся в определенных областях. Однако при термической обработке алюминиевых соединений легирующие элементы растворяются в алюминии, интегрируются в его структуру и упрочняют ее.
• Нержавеющие типы стали требуют использования более высокой температуры и продолжительной термообработки, а также оптимальной скорости нагрева и охлаждения. Эти свойства определяются легирующими добавками, которые снижают теплопроводность и повышают критическую степень нагрева. Некоторые виды нержавейки могут стать более хрупкими после закаливания.
• Цветные металлы и соединения, такие как бронза, латунь, медь, редко подвергаются закалке.

Каждая группа и марка материалов требует специфических условий обработки. Тщательно подбираются температура, длительность термообработки и степень охлаждения. В данном процессе учитываются состав металлов, их изначальные качества и желаемые конечные характеристики.

Оборудование для закалки металла

Оборудование делится на две основные категории: нагревательные установки и охлаждающие ванны. На современных производствах для достижения температуры, необходимой для закалки, применяют следующие устройства:

• муфельные термические печи;
• оборудование для индукционной обработки;
• приспособления для нагрева в расплавах;
• аппараты лазерного нагрева;
• газоплазменные устройства.

Три первых типа установок используются преимущественно для объемной закалки, в то время как остальные ориентированы на поверхностную обработку.

Оборудование для закалки включает в себя стальные контейнеры, графитовые тигли и печи, содержащие расплавленные металлы или соли. Ванны для закаливания материалов в жидких средах оснащены системами для подогрева и охлаждения, кроме того, могут быть оборудованы специальными мешалками, которые обеспечивают перемешивание жидкости и предотвращают образование паровой рубашки.

Порядок охлаждения стальных сплавов после закалки выбирают, учитывая химический состав обрабатываемого материала и желаемые характеристики конечного продукта.

Для охлаждения могут применяться:

• вода;
• воздушная струя или поток инертного газа;
• минмасло;
• водополимерные смеси;
• расплавленные соли на основе таких элементов, как барий, натрий, калий;
• металлические расплавы – свинцовые или оловянные.

Методы закалки металлов

Рассмотрим это на примере стали, которая чаще всего подвергается закалке. Вид термообработки выбирают в зависимости от ее сорта: инструментальная, в отличие от цветной, проходит полный цикл.

Способ закалки определяется количеством используемых источников охлаждения (одного или нескольких).

Различают несколько типов термической обработки

Закаливание металла в одном охладителе

Этот способ применяется для небольших и относительно простых заготовок из углеродистых и легированных типов стали. Сначала изделие нагревают, а затем погружают в охладитель. Детали из углеродистых марок размером 2–5 мм охлаждают в воде, а более мелкие элементы и те, что сделаны из легированных сплавов, – в масле. Такой метод называют закалкой металла в масле и в воде.

Закалка с предварительным охлаждением

Данный метод используют для сохранения неизменности молекулярной структуры и минимизации различий между поверхностным и внутренним напряжениями, предотвращая хрупкость изделия. Перед конечным охлаждением в жидкости заготовку на некоторое время оставляют на воздухе. Впрочем, его температура не должна падать ниже 0,8 К в соответствии с диаграммой «железо – углерод».

Прерывистая закалка

Ее применяют для обработки высокоуглеродистых типов стали.

Вода используется для начального кратковременного охлаждения, продолжительность которого определяет специалист, далее сталь выдерживают в масле или на воздухе.

Ступенчатая закалка

Подобный способ используют, когда нельзя применить прерывистую закалку из-за сложности в расчетах времени погружения детали в воду или при необходимости в равномерном охлаждении.

Ступенчатое закаливание проходит в двух средах. Для начала деталь погружают в первую среду с температурой, которая превышает точку закалки мартенсита. Как только слой соединения достигает равномерного нагрева, заготовка перемещается во вторую среду, где происходит окончательное образование мартенсита.

Изотермическая закалка

Подходит для легированных и конструкционных типов стали, не достигающих полного распада при обработке. В этом случае предусмотрено охлаждение в двух средах.

Вместо воды используется масло или соляной раствор, изделие погружают на 30 минут, после чего оставляют остывать на воздухе. В итоге получают высокопрочную сталь в состоянии бейнита с 20 % аустенита, насыщенного углеродом.

«Старение» металла после закалки

Процедура закаливания стали необходима, чтобы повысить ее твердость, но в результате увеличивается и хрупкость материала. В связи с этим необходимо выполнять отпуск, при котором прочность детали немного снижается, но появляется нужная пластичность. Снижение ломкости осуществляется при более низкой температуре и сопровождается медленным охлаждением.

Закалка металла возможна без изменения его структуры, то есть без полиморфного превращения, в таком случае заготовка не становится хрупкой. Впрочем, при таком подходе деталь не приобретает необходимой твердости. Для достижения этого качества необходима такая термическая обработка, как «старение». В процессе этой процедуры происходит распад пересыщенного твердого раствора, в результате чего заготовка становится более твердой и устойчивой.

Отпуск металла – лишь одна из разновидностей термообработки, которая используется для деталей, закаленных до критического состояния, после чего происходит полиморфное изменение кристаллической решетки.

В процессе отпуска материал выдерживают при повышенной температуре определенное время, после чего постепенно охлаждают на воздухе.

Отпуск необходим для снятия внутреннего напряжения и уменьшения хрупкости заготовки, что делает ее более пластичной. Процесс старения, наоборот, помогает увеличить твердость металла. Различают несколько его видов:

• Естественное. Прочность после закалки повышается сама по себе, однако снижается степень пластичности. О таком виде старения говорят, когда металл выдерживается в естественной среде.
• Термическое, когда заготовка становится тверже за счет воздействия высокой температуры. Однако существует риск перестаривания. В этом случае твердость, прочность и текучесть достигают своего пика, а затем начинают уменьшаться.
• Деформационное – включает пластическую деформацию после закалки металла. В основе структуры заготовки – перенасыщенный твердый раствор.

Дефекты металла после закалки

Хотя процесс закалки металла может приносить пользу, неправильное его выполнение чревато различными дефектами.

Одним из часто встречающихся дефектов является растрескивание, которое может возникнуть из-за неравномерного нагрева или охлаждения, приводящего к разрушению металла под воздействием напряжения. Еще один возможный недостаток – коробление или деформация, вызванные тепловым расширением или сжатием в процессе закалки. Кроме того, существует риск обезуглероживания, когда материал нагревается чрезмерно быстро, что снижает его прочность и твердость.

Кроме того, те, кто использует закаленные сплавы в своих продуктах, должны регулярно проверять их на наличие трещин или других изъянов, чтобы устранить их до возникновения более серьезных повреждений.

Термообработка металлов является эффективным способом повышения прочности и долговечности материалов, она всегда должна проводиться с осторожностью для предотвращения появления потенциальных дефектов.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

• цветные металлы;
• чугун;
• нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.